TP13 La physique du pendule élastique

PARTIE 2 : Temps, mouvement et évolution
TP 13
La physique du pendule élastique
Comment se peser dans l’espace ?
OBJECTIFS : Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence l’amortissement d’un
oscillateur mécanique ;
Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier l’évolution des énergies cinétique,
potentielle et mécanique d’un oscillateur.
Analyser les transferts énergétiques au cours d’un mouvement d’un point matériel.
Document 1 : La « pesée spatiale »
Dans une navette spatiale, les
astronautes, n'ayant plus de poids,
mesurent leur masse en se plaçant sur
un siège oscillant. Soumis à l'action de
ressorts, le système est mis en
oscillation et est alors le siège de
transferts énergétiques.
Document 2 : Dispositif expérimental
Le dispositif est constitué d’un banc muni d’une
soufflerie sur lequel un mobile peut se
déplacer.
18 cm
La manipulation peut être filmée par une
webcam.
On place, sur ce banc, un solide de masse m relié à deux ressorts identiques de constante
de raideur k (exprimée en N/m). Leur constante de raideur est connue.
Ici, le mobile étudié est attaché à deux ressorts identiques, on prendra comme constante de raideur
équivalente la valeur k’ = 2×k.
La période des oscillations du régime périodique et la pseudo-période du régime pseudo-périodique
sont égales en très bonne approximation lorsque l’amortissement n’est pas trop important :
m
T = 2π
k'
1
L’énergie potentielle élastique du système est Epe = k '.x 2 où x est le déplacement par rapport à la
2
position d’équilibre (c'est-à-dire la position au repos).
TRAVAIL À EFFECTUER : « La pesée spatiale »
ANALYSER :
15 min conseillées
1. Pourquoi ne peut-on pas mesurer la masse d’un astronaute dans l’espace avec une balance ?
2. Quelle(s) grandeur(s) doit-on mesurer pour déterminer la masse d’un astronaute ?
3. Élaborer un protocole expérimental permettant de déterminer la masse du mobile qui peut se
déplacer sur le banc muni d’une soufflerie. Une étude à l’aide d’une webcam sera privilégiée pour
plus de précision.
APPEL N°1
RÉALISER :
Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental
ou en cas de difficulté
15 min conseillées
4. Mettre en œuvre le protocole pour déterminer la masse du solide oscillant.
5. Peser le solide à l’aide d’une balance.
APPEL N°2
Appeler le professeur pour lui présenter vos résultats ou en cas de difficulté
COMMUNIQUER :
15 min conseillées
6. Rédigez un rapport organisé et argumenté consignant les résultats obtenus. Ce rapport devra
traiter de la précision de la méthode et des difficultés à mettre en œuvre cette méthode au
laboratoire et dans une navette spatiale.
APPEL N°3
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté
POUR S’ÉVALUER…
Analyser
coefficient 2
A
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
A
B
B
C
D
A
B
C
D
20 18 16 15 18 17 15 13 16 15 12 11 15 13 11 10 18 17 15 13 17 16 13 12 15 13 11 10 13 12 10 8
Note
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
C
A
B
D
C
D
A
B
C
D
16 15 12 11 15 13 11 10 12 11 8 7 11 10 7 6 15 13 11 10 13 12 10 8 11 10 7 6 10 8 6 5
TRAVAIL À EFFECTUER : « Étude des transferts d’énergie »
ANALYSER :
15 min conseillées
7. Quelles sont les différentes formes d’énergies mises en jeu durant le mouvement oscillant étudié ?
Quelles données sont nécessaires à leur étude ?
8. Parmi les vidéos disponibles au téléchargement, quelle est celle qui modélise le mieux la situation
d’une « pesée spatiale » ? Quelle est celle qui modélise le mieux la situation d’une « pesée
terrestre » ?
9. Élaborer un protocole expérimental permettant d’étudier les différentes formes d’énergie d’un
solide oscillant à partir d’une vidéo de son mouvement.
APPEL N°4
Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental
ou en cas de difficulté
RÉALISER :
15 min conseillées
10. Mettre en œuvre le protocole permettant d’étudier les différentes formes d’énergies mises en jeu
durant le mouvement oscillant étudié :
→ dans le cas d’un oscillateur très peu amorti ;
→ dans le cas d’un oscillateur amorti.
APPEL N°5
Appeler le professeur pour lui présenter vos résultats ou en cas de difficulté
COMMUNIQUER :
15 min conseillées
11. Pour chacune des deux études, réaliser un graphique représentant l’évolution des différentes
formes d’énergie durant une période. Vous préciserez :
le type d’énergie,
les transferts d’énergie pour des intervalles de temps pertinents,
la position du solide et la valeur de sa vitesse pour 4 dates particulières des courbes.
Cas d’un oscillateur très peu amorti :
Cas d’un oscillateur amorti :
APPEL N°6
Appeler le professeur pour lui présenter les graphiques et les commenter
POUR S’ÉVALUER…
Analyser
coefficient 2
A
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
A
B
B
C
D
A
B
C
D
20 18 16 15 18 17 15 13 16 15 12 11 15 13 11 10 18 17 15 13 17 16 13 12 15 13 11 10 13 12 10 8
Note
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
C
A
B
D
C
D
A
B
C
D
16 15 12 11 15 13 11 10 12 11 8 7 11 10 7 6 15 13 11 10 13 12 10 8 11 10 7 6 10 8 6 5